话题 03 · 新 SI

2019:常数,终于成为定义

2019 年 5 月 20 日——世界计量日——阿伏伽德罗常数不再需要被测量。它成为一个精确的数字,整个国际单位制围绕七个自然常数被重新搭建。

动机

旧体系的裂缝

千克仍然由 1889 年起保存在巴黎近郊的国际千克原器定义——一块铂铱合金圆柱体。比对实验显示,它与官方复制品之间的质量差已漂移约 50 微克:质量单位本身在悄悄变动。

而摩尔又通过"0.012 千克碳-12"与千克绑定,实物原器一旦漂移,摩尔的大小也会随之悄然改变。一块金属,同时悬着两个单位。

决议

一个数字变成精确值

第 26 届国际计量大会于 2018 年 11 月 16 日表决通过修订案,2019 年 5 月 20 日正式生效。阿伏伽德罗常数被固定为:

NA = 6.02214076 × 10²³ mol⁻¹(精确值)
摩尔(符号 mol)是物质的量的 SI 单位。1 摩尔包含恰好 6.02214076 × 10²³ 个基本实体。SI 手册第 9 版 — 摩尔的定义

方向从此颠倒:不再是"数出 12 克碳-12 里的原子来得到 NA",而是"用精确的 NA 来定义什么是摩尔"。

框架

七个定义常数

整个国际单位制如今建立在七个被精确固定的自然常数之上:

常数 符号 精确数值
铯-133 基态超精细能级跃迁频率 ΔνCs 9 192 631 770 Hz
真空中的光速 c 299 792 458 m/s
普朗克常数 h 6.626 070 15 × 10⁻³⁴ J·s
基本电荷 e 1.602 176 634 × 10⁻¹⁹ C
玻尔兹曼常数 k 1.380 649 × 10⁻²³ J/K
阿伏伽德罗常数 NA 6.022 140 76 × 10²³ mol⁻¹
频率 540 THz 单色辐射的发光效能 Kcd 683 lm/W
余波

变了什么,没变什么

12 克碳-12 仍然几乎恰好是 1 摩尔原子——但"几乎"现在有了意义:¹²C 的摩尔质量不再精确等于 0.012 kg/mol,而变成一个需要测量的量,目前精度达百亿分之几。对日常实验室而言,什么都感觉不到。

真正改变的是哲学:国际单位制的任何一个单位,都不再依赖人造实物。整个体系完全建立在自然常数之上——任何人、在任何地方、在任何时刻,都可以独立复现。

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